View of Naprawa odlewów staliwnych typu duplex GX2CrNiMoCu25-6-3-3 metodą MAG drutem proszkowym

Naprawa odlewów staliwnych

typu duplex GX2CrNiMoCu25-6-3-3

metodą MAG drutem proszkowym

Repair duplex steel castings GX2CrNiMoCu25-6-3-3

MAG cored wire

Mgr inż. Marcin Żuk – Politechnika Śląska

Autor korespondencyjny/Corresponding author: marcin.zuk@polsl.pl

Streszczenie

W artykule opisano wpływ spawania naprawczego od-lewów staliwnych na własności i strukturę obszarów napa-wanych. Badaniom poddano odlewy ze staliwa typu duplex GX2CrNiMoCu25-6-3-3, w których wykonano symulowane wady z wykorzystaniem żłobienia plazmowego, żłobienia elektrodą otuloną ChamferTrode 03 oraz żłobienia elektro-powietrznego elektrodą grafitową o średnicy 6 mm. Spawa-nie naprawcze przeprowadzono metodą MAG drutem prosz-kowym Avesta Sheffield FCW 2205-H o średnicy 1,2 mm w osłonie mieszanki gazowej Ar+CO2 prądem pulsacyj-nym. Obszary napawane zostały poddane badaniom wi-zualnym, badaniom makro, mikroskopowym, pomiarowi twardości oraz ocenie zgodności barwy po napawaniu. Przeprowadzone badania wykazały zachowanie struktury dwufazowej w obrębie SWC oraz w obszarze linii wtopie-nia, co może wskazywać na małe wymieszanie się spo-iwa z materiałem rodzimym. W obszarach napawanych nie doszło do znacznego rozrostu ziarna. Proces spawa-nia naprawczego nie spowodował znacznego utwardzespawa-nia w obszarze napoiny i SWC. Barwa napoin naprawczych nie wykazała znacznych różnić w stosunku do materiału rodzimego, co jest ważne podczas prowadzenia prac na-prawczych odlewów staliwnych.

Słowa kluczowe: staliwo duplex, naprawa odlewów,

spawanie

Abstract

The article describes the impact of the repair cast-ings on the properties and structure of the depos-ited areas. The tests were steel castings GX2CrNi-MoCu25-6-3-3 duplex in which simulated defects were made using plasma gouging, gouging coated elec-trode ChamferTrode 03 and electro-air gouging graph-ite electrode with a diameter of 6 mm. Repair welding was performed by MAG cored Avesta Sheffield FCW 2205-H with a diameter of 1,2 mm in the cover gas mix-ture Ar + CO2 pulsed current. Welded areas were visu-ally tasted, tested macro, microscopic, measurement of hardness and color conformity assessment after welding. The study showed the behavior of the two-phase structure within the SWC and in the fusion line, which may indicate a small mixing the binder with the parent material. In areas of the deposited there was no significant grain growth. Repair welding proc-ess did not cause a significant hardening in the weld and HAZ. The color of repair welds showed no signifi-cant differ with respect to the parent material, which is important when carrying out repair work steel castings.

Keywords: duplex cast steel, repair castings, welding

Wstęp

Odlewy staliwne są często wykorzystywane w przemyśle, dlatego ważne jest, aby można było je wytwarzać w stanie, w którym nie wymagają one dużych ilości zabiegów obróbko-wych, ale także żeby były tanie w produkcji. Są to dwa głów-ne problemy produkcyjgłów-ne. Zmniejszenie gabarytów prowadzi przeważnie do wystąpienia wad odlewniczych spowodowa-nych brakiem zasilenia odlewu w czasie stygnięcia. Także inne czynniki, jak źle zaprojektowany odlew czy urwanie masy formierskiej w czasie zalewania, mogą doprowadzić do powstania wad [1÷2]. W takich przypadkach stosuje się metody naprawy odlewów m.in. metodami spawalniczymi.

Przez spawanie naprawcze odlewów możliwe są do usunię-cia różnego rodzaju wady powierzchniowe i wewnętrzne. Można w ten sposób uzupełnić większe ubytki materiału, co jest szczególnie ważne w przypadku odlewów staliw-nych. Spawalnicze metody naprawy odlewów to także łą-czenie poszczególnych sekcji odlewów w całość. Takie roz-wiązanie stosuje się, gdy nie jest możliwe odlanie elementu w jednym procesie lub gdy gabaryty odlewu są ponad moż-liwości danej odlewni [1÷3]. Nowym materiałem używanym w odlewniach jest staliwo duplex. Staliwo to posiada struk-turę dwufazową ferrytyczno-austenityczną, dzięki czemu ma dobre własności wytrzymałościowe oraz jest odporne na korozję. Posiada ono także wady, takie jak skłonność

Tablica I. Skład chemiczny staliwa GX2CrNiMoCu25-6-3-3 [12] Table I. Chemical composition of cast steel GX2CrNiMoCu25-6-3-3 [12]

Próbka Stężenie pierwiastków, [%]

C Cr Ni Mn Si Cu S P Al N

Norma max _0,03 5

÷7

÷3,5

÷3,5

÷0,22

P1 0,026 24,7 6,13 1,05 0,55 3,19 0,006 0,024 0,009 0,15 do pękania oraz wrażliwość na szybkość stygnięcia,

dlate-go też ważnym zagadnieniem związanym z tym materiałem jest kwestia naprawy odlewów [4÷6]. Staliwa duplex zawie-rają przeważnie 21÷28% chromu, 4÷7% niklu, 1÷4% molibde-nu oraz do ok. 0,05% węgla (wyjątkiem jest pierwsza genera-cja staliwa duplex, gdzie zawartość węgla nie przekraczała 0,08%). Mniejsza zawartość niklu obniża koszty wytwarza-nia, dzięki czemu może być ono wykorzystywane na szer-szą skalę. Ze względu na skład chemiczny ich spawalność powinna być na poziomie stali austenitycznych. Trzeba tyl-ko utrzymać niską zawartość węgla w materiałach dodattyl-ko- dodatko-wych do spawania oraz dobrać odpowiedni skład chemiczny stopiwa do składu materiału rodzimego. W czasie spawania ważne jest to, aby materiał rodzimy nie był zbyt długo prze-trzymywany w wysokiej temperaturze (600÷1000 °C), ponie-waż jest on skłonny do powstania kruchych faz węgliko-wych m.in. fazy sigma [4÷5, 7÷8]. Staliwo duplex może być spawane wszystkimi metodami łukowymi, z tego względu jest to materiał pożądany na rynku, trzeba jednak uważać w przypadku metod niskoenergetycznych, gdyż może wy-stąpić zbyt duża ilość ferrytu w miejscu spawanym [8,10]. W przypadku metody spawania w osłonach gazów ochron-nych istnieje możliwość wprowadzenia dodatkowo azotu w miejsce jeziorka spawalniczego, przez co można zwięk-szyć ilość austenitu w spoinie. W przypadku użycia drutu proszkowego w metodzie MAG, zalecane jest użycie mie-szanek Ar+CO2 oraz zastosowanie urządzeń z synergicznym sterowaniem. Także zaleca się używać niskich energii linio-wych spawania rzędu 0,5÷2,5 kJ/mm [8÷10]. Spawanie na-prawcze odlewów staliwnych przeprowadzane jest przeważ-nie w celu uzupełprzeważ-nienia przeważ-nieciągłości materiału, gdzie przeważ-nie są

Umowna granica plastyczności R0,2*, [MPa] Wytrzymałość na rozciąganie Rm*, [MPa] Wydłużenie A*, [%] Udarność KV*, [J] 480 650 22 50 * – Wartości minimalne Stężenie pierwiastków, [%] C Cr Ni Mn Mo Si Cu S P N 0,032 23,17 9,29 0,96 3,48 0,7 – 0,006 0,017 0,16 wymagane bardzo wysokie własności wytrzymałościowe. Może to być np. uzupełnienie ścianki odlewu w celu zacho-wania szczelności. Ważnym aspektem podczas naprawy odlewu jest odtworzenie ubytku z zachowaniem możliwe najlepiej zbliżonej barwy spoiwa do materiału rodzimego.

Badania własne

Celem badań było określenie wpływu procesu żłobienia i spawania naprawczego na strukturę i własności staliwa duplex GX2CrNiMoCu25-6-3-3 (skład chemiczny i własno-ści wg normy przedstawiono w Tabl. I i II, a przykładową strukturę na Rys. 1) żłobionych plazmowo, elektrodą otulo-ną, elektro-powietrznie, a następnie napawanych metodą MAG drutem proszkowym Avesta Sheffield FCW 2205-H o średnicy 1,2 mm w osłonie mieszanki gazowej Ar+CO2 prądem pulsacyjnym. Skład masowy stopiwa przedstawia Tablica III.

Proces żłobienia

Do procesu żłobienia użyto odlewów staliwnych ze stali-wa duplex GX2CrNiMoCu25-6-3-3. Odlewy staliwne zostały wstępnie poddane procesowi żłobienia w celu zasymulowa-nia wad odlewniczych. Wady odlewnicze wykonano poprzez żłobienie plazmowe, żłobienie elektrodą otuloną Chamfer-Trode 03 oraz żłobienie elektro-powietrzne elektrodą gra-fitową o średnicy 6 mm. Na rysunkach 2 i 3 widoczne są symulowane wady po procesie żłobienia w postaci ubytków w materiale, które zostały poddane procesowi spawania na-prawczego.

Tablica II. Skład chemiczny staliwa GX2CrNiMoCu25-6-3-3 [12] Table II. Chemical composition of cast steel GX2CrNiMoCu25-6-3-3 [12]

Rys. 1. Struktura ferrytyczno-austenityczna staliwa duplex Fig. 1. Ferritic-austenitic structure of duplex cast steel Tablica III. S Skład chemiczny stopiwa FCW 2205-H

Proces spawania naprawczego

Do procesu spawania naprawczego użyto odlewów ze staliwa duplex GX2CrNiMoCu25-6-3-3 z wcześniej wy-konanymi symulowanymi wadami. Spawano je metodą MAG drutem proszkowym Avesta Sheffield FCW 2205-H o średnicy 1,2 mm w osłonie mieszanki gazowej Ar+CO2 prądem pulsacyjnym. Parametry procesu napawania przed-stawia tablica IV. Ściegi wykonywano w pozycji podolnej, bez wstępnego podgrzania materiału.

Badania napawanych odlewów

Odlewy po napawaniu zostały poddane badaniom: – wizualnym na podstawie wymagań PN-EN ISO 17637:2011,

Rys. 2. Symulowane wady wykonane poprzez żłobienie: a) plazmo-we, b) elektrodą otuloną, c) elektro-powietrznie

Fig. 2. Simulated faults made by gouging: a) plasma, b) coated elec-trode, c) electro-air

a)

b)

c)

– metalograficznym makroskopowym na mikroskopie świetlnym Olympus SZX9; próbki trawiono w wodzie kró-lewskiej,

– metalograficznym mikroskopowym na mikroskopie świetlnym NIKON ECLIPSE MA100; próbki trawiono w wodzie królewskiej,

– pomiaru twardości sposobem Vickersa na urządzeniu WILSON WOLPERT 430 zgodnie z wymaganiami normy PN-EN ISO 9015-1. Badania przeprowadzono w jednej linii pomiarowej (Rys. 4).

Parametry napawania Natężenie

prądu I, [A] łuku U, [V]Napięcie Prędkość podawania drutu V, [m/min]

170 22,5 5,2

Tablica IV. Parametry procesu spawania Table IV. Parameters of the welding process

a)

b)

c)

Rys. 3. Widok makrostruktury po żłobieniu: a) plazmowym, b) elek-trodą otuloną, c) elektro-powietrznym

Fig. 3. View macrostructure after gouging a) plasma, b) coated elec-trode, c) electro-air

Rys. 4. Kierunek wykonywania badań twardości w napawanym materiale Fig. 4. The direction of testing the hardness of the weld material

Analiza wyników badań

Badania wizualne przeprowadzone na napawanych odle-wach nie wykazały wychodzących na powierzchnię wad spa-walniczych jak pęknięcia czy podtopienia (Rys. 5). Wykona-ne badania makroskopowe uwidoczniły wyłącznie w jednym przypadku wtrącenia żużla w obszarze linii wtopienia (Rys. 6). W pozostałych przypadkach nie wykryto wad spawalniczych (Rys. 6). Każda napoina spełniała wymagania geometryczne co do szerokości i wysokości lica. Barwa otrzymanych na-pion nie odbiegała od barwy materiału rodzimego.

Badania mikroskopowe w obszarze napoiny wykazały wy-stępowanie struktury ferrytyczno-austenitycznej (Rys. 7÷9). W przypadku SWC oraz materiału rodzimego proces napa-wania nie wpłynął na zmiany struktury (Rys. 7÷9). W tym ob-szarze została zachowana struktura dwufazowa ferrytycz-no-austenityczna, bez rozrostu ziaren. Nie uwidocznił się znaczący rozrost faz niepożądanych, takich jak faza sigma, która wpływa negatywnie na własności obszarów spawa-nych [3÷5,7÷8].

Przed przystąpieniem do napawania w materiale prze-znaczonym do badań zasymulowano wady zewnętrzne,

wykonując żłobienie różnymi metodami. Procesy żłobienia spowodowały zwiększenie twardości materiału w warstwie wierzchniej. W przypadku żłobienia elektro-powietrznego odnotowano wzrost twardości do ok. 500 HV, co jest zapew-ne wynikiem nawęglenia powierzchni (z elektrody grafito-wej użytej w procesie) z jednoczesnym podhartowaniem. W mniejszym stopniu na twardość powierzchni wpłynął pro-ces żłobienia plazmowego (maksymalna twardość wzrosła do ok. 320 HV) oraz żłobienia elektrodą otuloną (280 HV) [13]. Przeprowadzone pomiary twardości po spawaniu na-prawczym metodą MAG (Rys. 10) wykazały wzrost twardości w obszarze linii wtopienia. W przypadku powierzchni przygo-towanej poprzez żłobienie plazmowe uzyskano najwyższe twardości na poziomie 285 HV, podobne wartości uzyskano w przypadku żłobienia elektrodą otuloną. Najniższymi war-tościami twardości w obszarze linii wtopienia charaktery-zowały się napoiny przygotowywane do naprawy poprzez żłobienie elektro-powietrzne (255 HV). W każdym przy-padku twardość napoin przy licu była nieznacznie wyższa od wartości twardości materiału rodzimego. Wraz z oddala-niem się od lica napoin twardość malała osiągając wartość ok. 240 HV.

a)

b)

Rys. 5. Widok lica napoin uzyskanych metodą MAG; przygotowanie do naprawy: żłobienie plazmowe, b) żłobienie elektrodą otuloną, c) żłobienie elektro-powietrzne

Fig. 5. View padding weld face obtained MAG; preparing for repair: a) plasma gouging, b) gouging coated electrode, c) electro-air-gouging

c)

Rys. 6. Makrostruktury napoin uzyskanych metodą MAG; przygotowa-nie do naprawy: a) żłobieprzygotowa-nie plazmowe, b) żłobieprzygotowa-nie elektrodą otuloną, c) żłobienie elektro-powietrzne

Fig. 6. Macrostructure padding weld obtained MAG; preparing for repair: a) plasma gouging, b) gouging coated electrode, c) electro-air-gouging

a)

b)

Rys. 7. Mikrostruktury napion uzyskanych metodą MAG; przygotowa-no do napawania poprzez żłobienie plazmowe

Fig. 7. Microstructure padding weld obtained MAG; prepared for we-lding through plasma gouging

Linia wtopienia

SWC Napoina

Materiał rodzimy

Rys. 8. Mikrostruktury napion uzyskanych metodą MAG; przygotowa-nie do napawania poprzez żłobieprzygotowa-nie elektrodą otuloną

Fig. 8. Microstructure padding weld obtained MAG; prepared for we-lding gouging through coated electrode

Napoina

Linia wtopienia

SWC

Materiał rodzimy

Rys. 9. Mikrostruktury napoin uzyskanych metodą MAG; przygotowanie do napawania poprzez żłobienie elektro-powietrzne Fig.9. Microstructure padding weld obtained MAG; prepared for welding through electro-air gouging

Napoina SWC

Podsumowanie

Ze względu na strukturę dwufazową ferrytyczno-austenityczną oraz na wymaganą niską zawartość węgla w ma-teriale (ok. 0,03%) staliwo duplex GX2CrNiMoCu25-6-3-3 jest trudnym materiałem do spawania. Materiały dodatko-we muszą być dopasowane do składu chemicznego materiału rodzimego. Przy zakładanym braku obróbki cieplej po spawaniu powinno się dobrać materiał dodatkowy ze zwiększoną zawartością niklu [8]. Proces spawania nie wpły-nął w znaczny sposób na zmiany w materiale rodzimym oraz w SWC, co może wskazywać na prawidłowy dobór ma-teriałów dodatkowych do procesu napawania. Została zachowana struktura dwufazowa ferrytyczno-austenityczna w materiale rodzimym oraz w SWC. Napoina również charakteryzowała się dwufazową strukturą, w dodatku drob-noziarnistą. Może to wskazywać na bardzo dobre parametry wytrzymałościowe oraz odporność korozyjną złącza spawanego. Parametry prądowo-napięciowe spawania pozwoliły uzyskać prawidłowy przetop, przy jednoczesnym małym wymieszaniu z materiałem rodzimym. Ilość wprowadzonego ciepła do złącza nie wywołała istotnych zmian strukturalnych w materiale rodzimym oraz w SWC, co może świadczyć o zachowaniu odpowiednich parametrów wytrzymałościowych podczas eksploatacji elementu naprawianego. Uzyskane wartości twardości po napawaniu naprawczym wykazały wartości zbliżone do twardości materiału rodzimego, co jest istotne z punktu widzenia pro-wadzonych napraw. Odnotowano jedynie niewielki wzrost wartości twardości w górnej części napion w stosunku do materiału rodzimego. Uzyskane napoiny posiadają barwę zbliżoną do barwy materiału rodzimego, co wskazuje na prawidłowy dobór parametrów spawania oraz materiałów dodatkowych do naprawy i ma istotny wpływ na moż-liwość zastosowania przedstawionej technologii w naprawach odlewów staliwa typu duplex w warunkach przemy-słowych.

Literatura

[1] Knaginin G., Staliwo: metalurgia i odlewnictwo, wyd. Śląsk, Katowice 1977r.

[2] Staronka A., Zarys metalurgii i odlewnictwa staliwa cz. 1 Metalurgia, AGH, Kraków, 1986r.

[3] Mistur L., Spawanie i napawanie w naprawach części ma-szyn i konstrukcji metalowych, Wyd. KaBe, Krosno, 2003r. [4] Nowacki J., Stal duplex i jej spawalność, Wyd.

Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2009r.

[5] Practical guidelines for the fabrication of duplex stainless steel, IMOA, London, 2014r.

[6] Stradomski Z., Stachura S., Dyja D., Zyska A., Technologicz-ne problemy wytwarzania masywnych odlewów ze staliwa duplex w aspekcie optymalizacji procesu produkcyjnego, Archiwum Odlewnictwa, 17/2005, s. 287-292.

[7] Spawanie stali nierdzewnych, EuroInox, Bruksela, 2002r. [8] Karlsson L., Spawanie stali duplex – przegląd

aktual-nych zaleceń, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 5/2012, s. 48-60.

[9] Meka K., Wpływ azotu na kształt i jakość napoin układanych metodą GMA, Przegląd Spawalnictwa, 12/2000, s. 7-11. [10] Meka K., Własności mechaniczne połączeń ze stali duplex,

Przegląd Spawalnictwa, 11/2003, s. 7-10.

[11] Przetakiewicz W., Tomczak R., Niektóre aspekty spawalno-ści ferrytyczno-austenitycznych stali typu duplex i superdu-plex, Przegląd Spawalnictwa, 3/1995, s. 1-6.

[12] Norma PN-EN 10283:2010: Odlewy ze staliwa odpornego „ na korozję.

[13] Badania własne.

Rys. 10. Rozkład twardości w badanych napoinach Fig.10. Distribution of the hardness of the test padding weld

Twar dość HV1 Punkt pomiarowy Elektro-powietrznie Plazmowo Elektroda otulona